Архитектура цифровых платформ для защищенных ЦОД. Часть 1. Общие подходы и используемые технологии

Квантовые вычисления важны для анализа больших данных (англ. Big Data), поскольку при их обработке нужны эффективные компьютеры для обработки того огромного количества данных, которые производятся ежедневно людьми и устройствами Интернета вещей

(англ. IoT – Internet of Things).

Квантовая информационно-телекоммуникационная сеть – «квантовый Интернет» - должна стать более безопасной, чем существующая информационно-телекоммуникационная сеть Интернет. Квантовая запутанность гарантирует, что этот новый вид Интернета будет значительно лучше защищен от хакеров. Любая попытка перехватить передачу данных нарушит их целостность. Сравнивая переданный фотон с его запутанным двойником, приемник может определить, нарушил ли злоумышленник передачу. Однако следует отметить, что квантовые вычисления дадут новые возможности и злоумышленникам для несанкционированного доступа к конфиденциальной информации путём использования их вычислительной мощности для взлома криптоалгоритмов.

Несмотря на вычислительную мощность, квантовые компьютеры помогут снизить энергопотребление от 100 до 1000 раз, если они используют квантовое туннелирование.

К научным категориям, на которые квантовая физика напрямую повлияет, относятся физика, химия, математика и биология. Приложения для промышленности повлияют на отраслевые вертикали, такие как здравоохранение, финансы, коммерция, связь, безопасность, кибербезопасность и криптография, энергетика, освоение космоса и многие другие дисциплины (рисунок 22).

80

Рисунок 22 - Примеры использования квантовых вычислений

Источник: GARTNER

Перечисленные примеры лишь малая часть сфер применения квантовых технологий, поскольку в этой области есть еще десятки других заметных разработок. Еще предстоит проделать большой объем исследований и разработок прототипов. Многие эксперты по-прежнему считают, что квантовые вычисления все еще являются теоретическими, но некоторые говорят, что мы, похоже, приближаемся к трансформационным квантовым воротам, которые позволят нам войти в новую вычислительную эру.

Как отмечалось выше, несколько квантовых компьютеров в настоящее время запущены в эксплуатацию. Некоторые из них доступны пользователям для экспериментов через облачные сервисы, но они по-прежнему работают в экспериментальном режиме. Во-первых, в этих компьютерах есть сотни кубитов, тогда как для решения сложных задач необходимо несколько тысяч или даже миллионов кубитов. Другая проблема заключается в том, что кубиты сложно изготовить, и некоторые из кубитов не будут вести себя так, как ожидалось, что потребует от исследователей добавления дополнительных кубитов для квантовой коррекции ошибок. Для управления работой миллионов квантовых битов в настоящее время используется трехмерный

81

диэлектрический резонатор, который может вырабатывать магнитные поля из импульсов микроволнового излучения. Австралийские физики разработали новую систему контроля состояния кубитов, с помощью которой можно одновременно считывать и записывать данные в миллионы ячеек памяти квантового компьютера. Результаты исследования опубликовал научный журнал Science Advances.

К 2021 году полноценных квантовых компьютеров ученые пока не создали. Сейчас существуют только их прототипы – например, в 2017 году физик из Гарвардского университета Михаил Лукин рассказал о создании 51-кубитного прототипа, а компания Google в 2019-м году – о 53-кубитном прототипе под названием Sycamore, в начале декабря 2020 года китайские ученые создали фотонный квантовый компьютер "Цзю Чжан".

Вноябре 2021 года появилась информация о создании компанией IBM 127-кубитного квантового процессора Eagle (Орёл). Это третий квантовый процессор IBM. В 2019 году компания представила 27-кубитный Falcon ("Сокол"), а годом позже - 65-кубитный

Hummingbird ("Колибри").

Внастоящее время проводятся большие работы по превращению квантовых компьютеров из лабораторных прототипов в практичные, работающие устройства. Эта область исследований включает в себя исследования от того, как квантовый компьютер будет взаимодействовать с существующими технологиями, до того, какие типы программного обеспечения будут совместимы с квантовыми системами.

Всовременных компьютерах программное обеспечение играет роль координации и преобразования битов в вычисления и результаты. То же самое и с квантовыми вычислениями - разрабатываются программы, называемые компиляторами, которые читают и переводят языки программирования высокого уровня до уровня кубитов компьютера. Кроме того, разрабатывается программное обеспечение, чтобы изучить, какие алгоритмы лучше всего работают с различными типами кубитов.

Ожидается, что квантовые компьютеры будут способны решать проблемы, которые в настоящее время нельзя решить, но они, скорее всего, не заменят классические компьютеры для решения повседневных задач. Экспертное сообщество едино в мнении, что квантовые компьютеры уже работают. Нет никаких сомнений в том, что в будущем круг решаемых ими задач будет только расширяться. Но следует

82

отметить, что в силу своих технических особенностей вряд ли в обозримом будущем квантовые компьютеры будут столь же универсальны, как и обычные компьютеры. Квантовые компьютеры будут использоваться в первую очередь для решения сложных задач – NP-задач (англ. non-deterministic polynomial –

«недетерминированные с полиномиальным временем»), возникающих при исследовании Больших систем и для которых не существует эффективных алгоритмов решения.

Хотя до действительно мощных квантовых компьютеров с миллионами кубитов еще далеко, технологии для создания этого преимущества приближаются.

Отметим, что в экспертном сообществе нет единого мнения – может ли быть создан квантовый компьютер в 1 000 000 кубитов в следующие 50 лет. Квантовые компьютеры в настоящее время проходят стадию «завышенных ожиданий» жизненного цикла любой технической системы. Это во многом напоминает стадии развития технологии управляемого термоядерного синтеза, который сегодня находится на «плато осознания» - реально перспективная технология, но довести её до уровня промышленного производства чрезвычайно сложно.

Контрольные вопросы к разделу 4

1.В чём заключается основное отличие квантовых вычислений от обычных?

2.Какие принципы лежат в основе квантовых вычислений?

3.Что такое квантовая линия связи?

4.Какие направления работ по квантовым коммуникациям проводятся в России?

5.В каких видах экономической деятельности могут использоваться квантовые вычисления?

6.В чём заключаются потенциальные преимущества квантовых вычислений?

7.Для решения каких задач могут использоваться квантовые компьютеры?

8.Как квантовые вычисления могут использоваться в защищённых ЦОД?

83

Рекомендуемая литература

1.Докучаев В.А., Кальфа А.А., Маклачкова В.В. Архитектура центров обработки данных / Под ред. проф. В.А. Докучаева. - М.: «Горячая линия-телеком», 2020.

2.Докучаев В.А., Кальфа А.А., Мытенков С.С., Шведов А.В. Анализ технических решений по организации современных центров обработки данных / В.А. Докучаев, А.А. Кальфа, С.С. Мытенков, А.В. Шведов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2017. – Том 11. – № 6.

– С. 16-24.

3.Докучаев В.А., Шведов А.В. Защита информации на корпоративных сетях VoIP // «Электросвязь». - 2012. - № 4. - С. 32-35.

4.Крупин А. «Made in Russia: обзор 20 российских операционных систем»: сайт. – URL: https://3dnews.ru/958857 (дата обращения: 02.07.2021). – Текст: электронный.

5.Горшков Сергей. Единая точка доступа к данным предприятия // Открытые системы. СУБД. — 2018. — № 4. — С. 33–35: сайт. - URL: http://www.osp.ru/os/2018/04/13054596 (дата обращения: 02.07.2021) -

Текст: электронный.

6.Горшков С. Три шага к дата-центричной архитектуре: сайт. – URL: https://www.osp.ru/os/2019/04/13055224 (дата обращения: 02.07.2021) -

Текст: электронный.

7.Dokuchaev V.A. "Digital Transformation: New Drivers and New Risks," 2020 International Conference on Engineering Management of

Communication and Technology (EMCTECH), Vienna, Austria, 2020, pp. 1-7, doi: 10.1109/EMCTECH49634.2020.9261544.

8.Data-Centric Manifesto. URL:

http://datacentricmanifesto.org/principles/ (дата обращения: 02.07.2021) -

Текст: электронный.

9.Dave McComb. The Data-Centric Revolution: Restoring Sanity to Enterprise Information Systems. O'Reilly, 2019.

10.Определение квантовых вычислений - Глоссарий по информационным технологиям Gartner, URL: https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/quantum- computing (дата обращения: 21.11.2021) -Текст: электронный.

11.Discovery: Research at Princeton : Quantum computing открывает новые области возможностей - Discovery: Research at Princeton, URL: https://discovery.princeton.edu/2019/12/09/quantum-computing-opens-new- realms-of-possibilities/ (дата обращения: 21.11.2021) - Текст: электронный.

84

12.Quantum computing: Opening new realms of possibilities, URL: https://www.princeton.edu/news/2020/01/21/quantum-computing-opening- new-realms-possibilities (дата обращения: 21.11.2021) - Текст:

электронный.

13.Argonne and UChicago scientists take important step in developing national quantum internet, URL: https://www.anl.gov/article/argonne-and- uchicago-scientists-take-important-step-in-developing-national-quantum- internet (дата обращения: 21.11.2021) - Текст: электронный.

85

Рекомендуемая литература………………………………………………...84

87

План УМД на 2021/22 уч.г. С. 4, п. 15

Владимир Анатольевич Докучаев Сергей Владимирович Запольских Виктория Валентиновна Маклачкова Вячеслав Михайлович Матросов Андрей Вячеславович Шведов Олег Владимирович Щербина

АРХИТЕКТУРА ЦИФРОВЫХ ПЛАТФОРМ ДЛЯ ЗАЩИЩЁННЫХ ЦОД

Часть 1

ОБЩИЕ ПОДХОДЫ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Подписано в печать 14.12.2021г. Формат 60х90 1/16. Объём 5,6 усл.п.л. Изд. № 66.

88

ВЫГОДНО. УДОБНО. НАДЕЖНО

ИНТЕРНЕТ

WI-FI

СТАБИЛЬНАЯ СКОРОСТЬ НАДЕЖНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

ИНТЕРЕСНЫЕ ТЕЛЕКАНАЛЫ СО ВСЕГО МИРА НА РАЗНЫХ ЯЗЫКАХ

HDTV

WWW.AKADO.RU

ОАО «КОМКОР», 117535, РОССИЯ, МОСКВА, ВАРШАВСКОЕ ШОССЕ, 133 ЛИЦЕНЗИИ № 123058, 123059, 123056, 123057, 153190, 153191, 153189, 123060

89